JP2007227793A

JP2007227793A - 熱応力緩和パッドおよびそれを用いた熱電変換システム並びにペルチェ冷却システム

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Publication number: JP2007227793A
Application number: JP2006049018A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Kanbe; 満神戸; Kleiner Simon; シモン・クライナー; Boche Sebastien; セバスチャン・ボシェ; Beffort Olivier; オリバー・ベフォール; Lukas Rohr; ルーカス・ロアー
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2006-02-24
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2026-02-24
Also published as: JP4801466B2

Abstract

【課題】接触面の隙間を埋めて熱を伝達する材料の漏洩をより一層確実に防止する。
【解決手段】温度差のある高温側部材と低温側部材の間に挟まれて熱を伝達すると共に熱応力の緩和を行う熱応力緩和パッド１であって、ＡｌとＳｎの共晶合金からなるパッド本体４を備え、パッド本体４の高温側部材に対向する面４ａと低温側部材に対向する面４ｂのいずれか一方の面は相手側部材に対して非接合で接触しており、他方の面は枠部材５により覆われて相手側部材に対して接合されているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱応力緩和パッドおよびそれを用いた熱電変換システム並びにペルチェ効果を利用して吸熱するペルチェ冷却システムに関する。更に詳しくは、本発明は、大型の加熱手段・冷却手段（例えば加熱ダクト・冷却ダクト）を備える例えば各種産業機器等の廃熱を熱源とする熱電変換システムへの使用に適した熱応力緩和パッド、および当該熱応力緩和パッドを用いた熱電変換システム並びにペルチェ冷却システムに関するものである。

温度差のある高温側部材と低温側部材の間に挟まれて熱を伝達すると共に熱応力の緩和を行う熱応力緩和パッドとして、例えば特開２００１−１９４０２２号公報に開示されたものがある。この熱応力緩和パッドを図１３及び図１４に示す。熱応力緩和パッド１０１は、温度差のある高温側部材１０２と低温側部材１０３の間に挟まれて熱を伝達すると共に熱応力の緩和を行うもので、多孔質材料１０４をマトリックスとして、その空孔１０４ａに熱伝導率が大きくかつ融点が運転時の低温側部材１０３の温度に近い温度である伝熱材料１０５を含浸させている。

多孔質材料１０４に含浸された伝熱材料１０５は高温側部材１０２から伝わる熱によって溶融又は軟化され、その濡れ性によって高温側部材１０２又は低温側部材１０３との間に拡がりこれらの隙間を埋める。このため、接触熱抵抗が減少し熱伝導特性を向上させることができる。また、多孔質材料１０４が変形することで高温側部材１０２と低温側部材１０３の熱変形量の違いを吸収することができる。多孔質材料１０４に含浸された伝熱材料１０５はその表面張力の作用により、多孔質材料１０４の微細な空孔１０４ａ内からの漏洩防止が図られている。

この熱応力緩和パッド１０１では、伝熱材料１０５によって高温側部材１０２や低温側部材１０３との間の隙間を埋めることで接触熱抵抗を減少させることができるので、例えば熱電変換システムに使用する場合に、各部材１０２，１０３を熱応力緩和パッド１０１に対して強く加圧しながら組み付ける必要がなくなり、作業性の向上と破損防止を図ることができる。

特開２００１−１９４０２２号

しかしながら、上述の熱応力緩和パッド１０１では、多孔質材料１０４に伝熱材料１０５を含浸させ、その表面張力によって漏洩防止を図っているので、例えば伝熱材料１０５と多孔質材料１０４の濡れ性が悪い場合には、伝熱材料１０５が多孔質材料１０４の空孔１０４ａから漏洩する虞があることを完全には否定できず、伝熱材料１０５の漏洩をより一層確実に防止できる熱応力緩和パッドの開発が要請されていた。

本発明は、接触面の隙間を埋めて熱を伝達する材料の漏洩をより一層確実に防止することができる熱応力緩和パッドを提供すること、及びこの熱応力緩和パッドを使用した熱電変換システム、ペルチェ冷却システムを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために請求項１記載の発明は、温度差のある高温側部材と低温側部材の間に挟まれて熱を伝達すると共に熱応力の緩和を行う熱応力緩和パッドにおいて、ＡｌとＳｎの共晶合金からなるパッド本体を備え、パッド本体の高温側部材に対向する面と低温側部材に対向する面のいずれか一方の面は相手側部材に対して非接合で接触しており、他方の面は枠部材により覆われて相手側部材に対して接合されているものである。

したがって、高温側部材から伝わる熱によってパッド本体のＳｎが溶融又は軟化し、相手側部材に対して非接合で接触している側の面では相手側部材との間の隙間ににじみ出て当該隙間を埋める。また、反対側の面（他方の面）ではパッド本体を覆う枠部材が相手側部材に対して接合されており、これらの間は埋められている。このようにパッド本体と高温側部材又は低温側部材との間に隙間のない状態で、高温側部材の熱が熱応力緩和パッドを通じて低温側部材に伝達されるので、熱の伝達は良好に行われる。また、高温側部材と低温側部材の熱変形量の違いは、相手側部材に対して非接合で接触している側の面と相手側部材との間に滑りが生じることで吸収される。ＡｌとＳｎの共晶合金からなるパッド本体は熱を良好に伝達する。また、パッド本体を構成するＡｌとＳｎの共晶合金は共晶反応状態ではＳｎがＡｌから分離して漏洩することはない。

また、請求項２記載の発明は、温度差のある高温側部材と低温側部材の間に挟まれて熱を伝達すると共に熱応力の緩和を行う熱応力緩和パッドにおいて、ＡｌとＳｎの共晶合金からなるパッド本体を備え、パッド本体は高温側部材と低温側部材に対して非接合で接触しているものである。

したがって、高温側部材から伝わる熱によってパッド本体のＳｎが溶融又は軟化して高温側部材との間の隙間や低温側部材との間の隙間ににじみ出てこれらの隙間を埋める。このようにパッド本体と高温側部材の間、パッド本体と低温側部材の間に隙間のない状態で、高温側部材の熱が熱応力緩和パッドを通じて低温側部材に伝達されるので、熱の伝達は良好に行われる。また、パッド本体は高温側部材と低温側部材に対して非接合、即ち接合されておらず面方向への相対移動が可能な状態であるので、高温側部材と低温側部材の熱変形量の違いは、パッド本体と高温側部材又は低温側部材との間に滑りが生じることで吸収される。ＡｌとＳｎの共晶合金からなるパッド本体は熱を良好に伝達する。またパッド本体を構成するＡｌとＳｎの共晶合金は共晶反応状態ではＳｎがＡｌから分離して漏洩することはない。

また、請求項３記載の熱応力緩和パッドは、パッド本体の側面を覆う枠部材を備えている。したがって、パッド本体の側面の露出が防止され、露出面（側面）にＳｎがにじみ出ることが防止される。

また、請求項４記載の熱応力緩和パッドは、枠部材がＡｌで形成されている。したがって、パッド本体と枠部材との材料的な相性が良好になる。

また、請求項５記載の発明は、加熱手段と冷却手段の間に熱電変換素子を配置する熱電変換システムにおいて、加熱手段と熱電変換素子の間と、冷却手段と熱電変換素子の間のうち、少なくともいずれか一方に請求項１から４のいずれか１つに記載の熱応力緩和パッドを介在させたものである。

したがって、例えば熱電変換素子の両側に熱応力緩和パッドを介在させた場合には、熱電変換素子の加熱面は加熱手段から熱応力緩和パッドを通じて伝えられる熱によって加熱され、冷却面は熱応力緩和パッドを通じて冷却手段に熱を逃がして冷却される。熱応力緩和パッドは上述の通り熱を良好に伝えるので、大きな加圧力をかけて加熱手段と冷却手段の間に熱電変換素子を挟み込まなくても熱電変換素子の両面には大きな温度差が形成され、大きな起電力が発生する。また、このように熱電変換素子の両側に熱応力緩和パッドを介在させる必要はなく、熱電変換素子と加熱手段の間にのみ熱応力緩和パッドを介在させても良く、または熱電変換素子と冷却手段の間にのみ熱応力緩和パッドを介在させても良い。

さらに、請求項６記載の発明は、放熱部材と冷却部材の間にペルチェ素子を配置するペルチェ冷却システムにおいて、放熱部材とペルチェ素子の間と、冷却部材とペルチェ素子の間のうち、少なくともいずれか一方に請求項１から４のいずれか１つに記載の熱応力緩和パッドを介在させたものである。

したがって、ペルチェ素子による熱の発生または吸収は熱応力緩和パッドを通して放熱部材や冷却部材に伝えられる。熱応力緩和パッドは上述の通り熱を良好に伝えるので、大きな加圧力をかけて放熱部材と冷却部材の間にペルチェ素子を挟み込まなくても良い。なお、ペルチェ素子の両側に熱応力緩和パッドを介在させても良く、またはペルチェ素子と放熱部材の間にのみ或いはペルチェ素子と冷却部材の間にのみ熱応力緩和パッドを介在させるようにしても良い。

請求項１記載の熱応力緩和パッドでは、ＡｌとＳｎの共晶合金からなるパッド本体を備え、パッド本体の高温側部材に対向する面と低温側部材に対向する面のいずれか一方の面は相手側部材に対して非接合で接触しており、他方の面は枠部材により覆われて相手側部材に対して接合されているので、相手側部材に対して非接合で接触している側の面と相手側部材との間に生じる隙間を、伝える熱を利用してＳｎをにじみ出させることで埋めることができる。このため、大きな力をかけて挟み込まなくてもパッド本体と高温側部材又は低温側部材との接触熱抵抗を減少させて良好な熱伝導特性を得ることができる。また、相手側部材に対して非接合で接触している面では、相手側部材との間で滑りを生じさせることができるので、高温側部材と低温側部材との間の熱変形量の違いや、高温側部材・低温側部材の温度変化による熱膨張変位を吸収することができる。さらに、パッド本体を構成するＡｌとＳｎの共晶金属は共晶反応状況ではＳｎがＡｌから分離して漏洩することはない。このため、隙間を埋めて熱の伝達を良好にする伝熱材料であるＳｎの喪失を防止して製品寿命を延ばすことができる共に、熱伝達の信頼性を向上させることができる。

また、請求項２記載の熱応力緩和パッドでは、ＡｌとＳｎの共晶合金からなるパッド本体を備え、パッド本体は高温側部材と低温側部材に対して非接合で接触しているので、パッド本体と高温側部材との間の隙間やパッド本体と低温側部材との間の隙間を、伝える熱を利用してＳｎをにじみ出させることで埋めることができる。このため、大きな力をかけて挟み込まなくてもパッド本体と高温側部材又は低温側部材との接触熱抵抗を減少させて良好な熱伝導特性を得ることができる。また、パッド本体と高温側部材又は低温側部材との間で滑りを生じさせることができるので、高温側部材と低温側部材との間の熱変形量の違いや、高温側部材・低温側部材の温度変化による熱膨張変位を吸収することができる。さらに、パッド本体を構成するＡｌとＳｎの共晶金属は共晶反応状況ではＳｎがＡｌから分離して漏洩することはない。このため、隙間を埋めて熱の伝達を良好にする伝熱材料であるＳｎの喪失を防いで製品寿命を延ばすことができる共に、熱伝達の信頼性を向上させることができる。

また、請求項３記載の熱応力緩和パッドでは、パッド本体の側面を覆う枠部材を備えているので、パッド本体の側面の露出を防止することができ、露出面にＳｎがにじみ出ることを防止することができる。

また、請求項４記載の熱応力緩和パッドでは、枠部材がＡｌで形成されているので、パッド本体と枠部材との材料的な相性を良くすることができる。

また、請求項５記載の熱電変換システムでは、加熱手段と熱電変換素子の間と、冷却手段と熱電変換素子の間のうち、少なくともいずれか一方に請求項１から４のいずれか１つに記載の熱応力緩和パッドを介在させているので、上述の熱応力緩和パッドを用いて熱の伝達と熱応力の緩和を行うことができる。このため、素子と加熱手段の接合と、素子と冷却手段の接合の両方又はいずれか一方を不要にすることができ、システムの組付作業や素子の交換作業が簡単になる。また、熱電変換素子を挟み込む加圧力が小さなもので足りるため、その加圧力の調整が不要になると共に、熱電変換素子等の長寿命化を図ることができる。さらに、熱応力緩和パッドの熱伝導特性が良好であるので、発電効率や加熱・冷却効率を向上させることができる。

さらに、請求項６記載のペルチェ冷却システムでは、放熱部材とペルチェ素子の間と、冷却部材とペルチェ素子の間のうち、少なくともいずれか一方に請求項１から４のいずれか１つに記載の熱応力緩和パッドを介在させているので、上述の熱応力緩和パッドを用いて熱の伝達と熱応力の緩和を行うことができる。このため、素子と放熱部材又は冷却部材との接合が不要になり又は接合箇所を少なくすることができ、システムの組付作業や素子の交換作業が簡単になる。また、ペルチェ素子を挟み込む加圧力が小さなもので足りるため、その加圧力の調整が不要になると共に、ペルチェ素子等の長寿命化を図ることができる。さらに、熱応力緩和パッドの熱伝導特性が良好であるので、発電効率や加熱・冷却効率を向上させることができる。

以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１〜図３に、本発明の熱応力緩和パッドの実施形態の一例を示す。なお、図１は図２のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。熱応力緩和パッド１は、温度差のある高温側部材２と低温側部材３の間に挟まれて熱を伝達すると共に熱応力の緩和を行うもので、Ａｌ（アルミニウム）とＳｎ（スズ）の共晶合金からなるパッド本体４を備え、パッド本体４の高温側部材２に対向する面４ａと低温側部材３に対向する面４ｂのいずれか一方の面は相手側部材に対して非接合で接触しており、他方の面は枠部材５により覆われて相手側部材に対して接合されている。本実施形態では、高温側部材２に対向する面４ａが相手側部材即ち高温側部材２に対して非接合で接触されており、低温側部材３に対向する面４ｂが枠部材５により覆われて相手側部材即ち低温側部材３に対して接合されている。ここで、接合の手段としては、例えばＡｌＳｉ系のろう材を使うろう付けなどがある。また、熱応力緩和パッド１はパッド本体４の側面４ｃを覆う枠部材６を備えている。枠部材５と枠部材６は一体成形されている。即ち、枠部材５と枠部材６とでカップ状の部材を構成し、このカップ状部材の中にパッド本体４が形成されている。枠部材５，６は、例えばＡｌで形成されている。

パッド本体４はＡｌとＳｎの共晶合金（以下、Ａｌ−Ｓｎ合金という）から成っている。Ａｌ−Ｓｎ合金の組成比は、Ｓｎの重量比で、例えば１０〜８０％、好ましくは３０〜５０％、より好ましくは４０％である。本実施形態では、Ａｌ−Ｓｎ合金の組成比を、Ｓｎの重量比で４０％としている（このような状態のＡｌ−Ｓｎ合金をＡｌ−４０wt％Ｓｎと記す。以下同様。）。Ｓｎの重量比の下限値を１０％とするのは、Ｓｎの重量比が１０％未満になると、接触熱抵抗Ｒを減少させるＳｎ成分の漏出量の確保が難しくなると考えられるからである。また、好ましい下限値を３０％とするのは、Ｓｎの重量比が３０％以上あれば、接触熱抵抗Ｒを良好に減少させるのに十分なＳｎ成分の漏出量を確保するのが容易になると考えられるからである。一方、Ｓｎの重量比の上限値を８０％としているのは、Ｓｎの重量比が８０％を超えると、Ａｌ成分が少なくなり過ぎ、Ｓｎ成分の良好な保持が難しくなると考えられるからである。また、好ましい上限値を５０％としているのは、Ｓｎの重量比が５０％以下であれば、Ｓｎ成分の良好な保持に適したＡｌ成分量を確保するのが容易になると考えられるからである。さらに、より好ましい値を４０％としているのは、Ｓｎの漏出量とＳｎの保持に適したＡｌ成分量をともに高レベルでバランス良く確保することができると考えられるからである。

熱応力緩和パッド１の平面形状は、例えば円形となっている。ただし、この形状に限るものではなく、平面形状が例えば長方形、正方形等でも良い。特に後述するように熱電変換システム７に使用する場合等には、熱電変換モジュール１２の形状にあわせて熱応力緩和パッド１の形状を決定すれば良い。

図４は、熱応力緩和パッド１の組織を示す顕微鏡写真で、図１中符号Ａで示す位置のものである。図４（Ａ）は枠部材５，６とパッド本体４の境界部分の内部組織、（Ｂ）はパッド本体４（Ａｌ−４０wt％Ｓｎ）の内部組織である。

熱応力緩和パッド１は、以下のようにして製造することができる。例えば、Ａｌ製のカップ状部材を製作し、例えば５００℃に加熱しておく。なお、カップ状部材の周壁が枠部材６となり、底板が枠部材５となる。次に、例えば６８０℃に加熱して溶融させたＡｌ−Ｓｎ合金をカップ状部材の中に注ぎ、例えば１００ＭＰａ（１０００気圧）で例えば５分間加圧する。このように加圧することでＡｌ−Ｓｎ合金の内部に熱抵抗を増大させる気泡が発生するのを防止することができる。そして冷却させた後、切断、切削、研磨等の機械加工を行ってパッド本体４の形状を整える。ただし、熱応力緩和パッド１の製造方法は上述の方法に限るものではなく、また、同じ製造方法であっても温度、圧力、時間等の変動は可能である。

この熱応力緩和パッド１を用いて、例えば熱電変換システム７を構成することができる。図５に熱電変換システム７の一例を示す。熱電変換システム７は、加熱手段８と冷却手段９の間に熱電変換素子１０を配置するもので、加熱手段８と熱電変換素子１０の間と、冷却手段９と熱電変換素子１０の間のうち、少なくともいずれか一方に熱応力緩和パッド１を介在させている。本実施形態では、加熱手段８と熱電変換素子１０の間に熱応力緩和パッド１を介在させている。なお、熱電変換素子１０は、例えばセラミック製の電気絶縁板１１の間に挟み込まれて熱電変換モジュール１２を構成している。熱応力緩和パッド１は、加熱手段８に対しては非接合、即ち接合されずに単に重ね合わせて相対変位可能な状態であり、熱電変換モジュール１２に対しては接合されている。

加熱手段８は、例えば加熱ダクト（以下、加熱ダクト８という）である。また、冷却手段９は、例えば冷却ダクト（以下、冷却ダクト９という）である。つまり、熱応力緩和パッド１については、加熱ダクト８が高温側部材２であり、熱電変換モジュール１２が低温側部材３である。なお、冷却ダクト９は熱電変換モジュール１２の電気絶縁板１１に接合されている。

この熱電変換システム７は、加熱ダクト８の温度が例えば５００℃、冷却ダクト９の温度が例えば１００℃で運転される。

この熱電変換システム７が運転されると、熱応力緩和パッド１のパッド本体４のＳｎ成分は、加熱ダクト８から伝わる熱によって溶融又は軟化し、加熱ダクト８と熱応力緩和パッド１との間ににじみ出て隙間を埋める。したがって、加熱ダクト８の対向面が平らでなく、またその表面粗さが大きかったとしても、加熱ダクト８と高温側の熱応力緩和パッド１の接触熱抵抗が減少して密着性が向上し、熱の伝達が良好に行われる。このため、加熱ダクト８と冷却ダクト９の温度差に近い大きな温度差を熱電変換ユニットの両面に作り出すことができ、熱電変換素子１０による発電性能を向上させることができる。なお、熱応力緩和パッド１と熱電変換モジュール１２との間、熱電変換モジュール１２と冷却ダクト９との間は接合されており、熱伝達は良好に行われる。

また、熱電変換システム７の運転によって加熱ダクト８と冷却ダクト９の間に温度差による変形量の違いが発生するが、かかる変形量の違いは熱応力緩和パッド１に対して加熱手段８が変位することで吸収することができる。すなわち、加熱ダクト８と冷却ダクト９の変形量の差に応じて非接合の面がずれるので、加熱ダクト８と熱電変換モジュール１２との密着状態を維持しつつ、熱応力の発生による変形や割れ等を防止することができる。なお、図５において、矢印Ｓは滑りによって加熱ダクト８の熱膨張が許容される様子を示している。

このように、加熱ダクト８から伝わる熱を利用して熱の伝達を行うＳｎを隙間に充填し熱応力緩和パッド１と加熱ダクト８を密着させることができるので、熱電変換システム７の組付工程において、加熱ダクト８と熱電変換モジュール１２をわざわざ接合する必要がなくなる。このため、接合箇所が減少し、熱電変換システム７の組付けが簡単なものになると共に、メンテナンス時等の熱電変換モジュール１２の交換作業も簡単なものなる。また、加熱ダクト８や熱電変換モジュール１２の対向面の平面度および表面粗さに対する要求条件が緩和されることになり、製作が容易でコスト低減が可能となる。なお、冷却ダクト９と熱電変換モジュール１２とは接合されるので、これらの対向面の平面度及び表面粗さに対する要求条件も緩和される。

また、Ｓｎが熱を伝える材料（伝熱材料）として上述の隙間に拡がることで熱電変換モジュール１２と加熱ダクト８を密着させることができるので、これらの密着性を向上させるために熱電変換システム７の組付時に大きな加圧力をかけて加熱ダクト８および冷却ダクト９によって熱電変換モジュール１２を挟み込んで密着させておく必要がなくなる。即ち、密着性に優れた熱応力緩和パッド１が得られるため、小さな加圧力でも接触熱抵抗を低減できる。また、これに伴い加熱ダクト８の上からの加圧力を調整する必要がなくなる。さらに、小さな加圧力で運転できるため、熱電変換システム７や後述のペルチェ冷却システムの長寿命化が達成できる。

また、熱応力緩和パッド１と加熱ダクト８との間では面方向の滑りが可能であるので、加熱ダクト８の運転・停止中の温度差に起因する熱膨張変位を許容することができる。特に、熱電変換システム７が大型化したり、利用する温度がより高温になると、加熱ダクト８の熱膨張変位が大きくなるが、本発明の熱応力緩和パッド１は熱膨張変位を許容することができるので、熱電変換システム７を大型化、高温化することが可能になる。また、上述の接触熱抵抗を減少させることができることと、熱応力緩和パッド１と加熱ダクト８との間で面方向の滑りが可能になることにより、熱電変換モジュール１２に負荷できる温度差を増大することができる。熱電変換モジュール１２の発電電力は温度差の２乗にほぼ比例するため、同一の熱電変換モジュール１２を使用しても、熱電変換モジュール１２の発電電力を向上せることができる。即ち、実質的なエネルギー変換効率を向上させることができる。また、これによって熱電変換システム７の発電単価を低減することもできる。

なお、枠部材５を設けることで、相手側部材にＳｎと反応してしまう材料を使用することができる。例えば、相手側部材がＣｕ製のダクトの場合、ＣｕとＳｎは反応してしまうため、パッド本体４を直接接触させることは適当でない。このような場合には枠部材５が設けられている側の面をＣｕ製ダクトに接合すれば良く、このようすることで相手側部材が例えばＣｕ製のものであっても熱応力緩和パッド１を適用することができる。

また、この熱応力緩和パッド１を用いて、例えばペルチェ冷却システムを構成することができる。即ち、図６に示すように、放熱部材１３と冷却部材１４の間にペルチェ素子１５を配置するペルチェ冷却システム１６において、放熱部材１３とペルチェ素子１５の間と、冷却部材１４とペルチェ素子１５の間のうち、少なくともいずれか一方に熱応力緩和パッド１を介在させるようにしても良い。ペルチェ冷却システム１６においても、熱応力緩和パッド１を使用することで、熱電変換システム７と同様の効果を得ることができる。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の説明では、パッド本体４の高温側部材２に対向する面４ａは相手側部材に対して非接合で接触されており、低温側部材３に対向する面４ｂは枠部材５により覆われて相手側部材に対して接合されていたが、必ずしもこの構成に限るものではなく、パッド本体４の低温側部材３に対向する面４ｂを相手側部材に対して非接合で接触させ、高温側部材２に対向する面４ａを枠部材５により覆って相手側部材に対して接合するようにしても良い。

また、上述の説明では、パッド本体４のいずれか一方の面を枠部材５で覆い相手側部材に接合するようにしていたが、パッド本体４の両面４ａ，４ｂを高温側部材２又は低温側部材３に対して非接合で接触させるようにしても良い。即ち、例えば図７に示すように、温度差のある高温側部材２と低温側部材３の間に挟まれて熱を伝達すると共に熱応力の緩和を行う熱応力緩和パッド１であって、ＡｌとＳｎの共晶合金からなるパッド本体４を備え、パッド本体４を高温側部材２と低温側部材３に対して非接合で接触させるようにしても良い。なお、図７では、図１〜図３に示す部材と同一の部材には同一の符号を付してそれらの詳細な説明は省略する。この場合には、熱応力緩和パッド１の両面について接合が不要になるので、高温側部材２や低温側部材３、加熱手段８や冷却手段９、放熱部材１３や冷却部材１４への組み付けをより簡単にすることができる。なお、このタイプの熱応力緩和パッド１は、例えば、カップ状部材の底板部分から成る枠部材５を切断除去し、Ａｌ−Ｓｎ合金をカップ状部材の底面に露出させることで製作することができる。

また、上述の説明では、枠部材５，６をＡｌで形成していたが、Ａｌ以外の金属で枠部材５，６を形成しても良く、金属以外の材料、例えばセラミックス等により枠部材５，６を形成しても良い。

また、上述の説明では、パッド本体４の側面４ｃを覆う枠部材６を備えていたが、例えば図８及び図９に示すように、枠部材６を省略し、パッド本体４を高温側部材２と低温側部材３の間に露出させるようにしても良い。このタイプの熱応力緩和パッド１は、例えば鋳型等に溶融させたＡｌ−Ｓｎ合金を注ぐ鋳造法等によって製作することができる。なお、図８は図９のVIII-VIII線に沿う断面図である。また、図１〜図３に示す部材と同一の部材には同一の符号を付してある。

また、上述の熱電変換システム７についての説明では、加熱手段８と熱電変換素子１０（熱電変換モジュール１２）の間に熱応力緩和パッド１を介在させていたが、必ずしもこの構成に限るものではなく、冷却手段９と熱電変換素子１０の間に熱応力緩和パッド１を介在させても良く、加熱手段８と熱電変換素子１０の間と、冷却手段９と熱電変換素子１０の間の両方に熱応力緩和パッド１を介在させても良い。この場合、冷却手段９と熱電変換素子１０の間に介在させた熱応力緩和パッド１では、冷却手段９側の面を非接合面、熱電変換素子１０側の面を接合面としても良く、熱電変換素子１０側の面を非接合面、冷却手段９側の面を接合面としても良く、あるいは冷却手段９側の面と熱電変換素子１０側の面の両方を非接合面としても良い。なお、冷却ダクト９と熱電変換素子１０の間に介在させる熱応力緩和パッド１については、熱電変換モジュール１２が高温側部材２であり、冷却ダクト９が低温側部材３である。

また、上述の熱電変換システム７についての説明では、加熱手段８は例えば加熱ダクトであったが、加熱ダクトに限るものではなく、例えば加熱面等の熱源であれば良い。また、上述の熱電変換システム７について説明では、冷却手段９は例えば冷却ダクトであったが、冷却ダクトに限るものではなく、冷却できる手段であれば良い。

本発明の熱応力緩和パッド１を使用することで接触熱抵抗を低減できることを確認するための実験を行った。実験では、高温側部材２と低温側部材３との間に熱応力緩和パッド１を挟み込むようにして接触させ、高温側部材２と低温側部材３との間の接触熱抵抗Ｒ（ｍ^２Ｋ／Ｗ）を算出した。接触熱抵抗Ｒの算出方法は、次の通りである。

パッド本体４の両面４ａ，４ｂの温度差をΔＴ（Ｋ）、高温側部材２の熱応力緩和パッド１との接触面と低温側部材３の熱応力緩和パッド１との接触面との温度差をΔＴ_ＣＰ（Ｋ）、熱応力緩和パッド１の厚さをｘ（ｍ）、熱応力緩和パッド１の熱伝導率をλ（Ｗ／ｍＫ）とすると、熱流速ｑ（Ｗ／ｍ^２）は数式１によって求められる。
（数１）
ｑ＝（ΔＴ×λ）／ｘ

そして、接触熱抵抗Ｒ（ｍ^２Ｋ／Ｗ）は数式２によって求められる。
（数２）
Ｒ＝ΔＴ_ＣＰ／ｑ

熱応力緩和パッド１は図１及び図２に示すような枠部材５，６を備えるタイプのものを使用した。熱応力緩和パッド１全体の厚さを１０ｍｍ、パッド本体４の厚さを５ｍｍとした。また、熱応力緩和パッド１と高温側部材２との接触面の直径を２５ｍｍ、接触面におけるパッド本体４の直径を２１ｍｍとした。高温側部材２として加熱ダクト８を使用した。

実験の結果を図１０に示す。図１０の横軸は熱応力緩和パッド１の高温側部材２側の面４ａの温度、縦軸は高温側部材２と熱応力緩和パッド１との間の接触熱抵抗Ｒである。温度Ｔ_ＳｎはＳｎの融点（２３２℃）を示している。図中、Ａ点より計測を開始し、Ｂ点まで加熱した後、冷却し、Ｃ点まで計測した。図からも明らかなように、熱応力緩和パッド１の温度が上昇してＳｎの融点に近づくと接触熱抵抗Ｒが急激に減少し始め、熱応力緩和パッド１の温度がＳｎの融点を超えると接触熱抵抗Ｒが約１／５に低減することがわかった。これは、Ａｌ−Ｓｎ合金からなるパッド本体４の温度上昇によってＳｎ成分が軟化して高温側部材２と熱応力緩和パッド１との間の隙間を埋め始め、パッド本体４の温度がＳｎの融点を超えるとパッド本体４のＳｎ成分が溶融して高温側部材２と熱応力緩和パッド１との間の隙間を良好に埋めるからであると考えられる。このように、本発明の熱応力緩和パッド１を使用することで、接触熱抵抗Ｒを低減できることを確認できた。

Ａｌ−Ｓｎ合金のＳｎの漏出を確認するための実験を行った。実験では、組成比が異なる３種類の試料、即ちＡｌ−１０wt％Ｓｎ、Ａｌ−２０wt％Ｓｎ、Ａｌ−４０wt％Ｓｎ（組成比がＳｎの重量比で１０％、２０％、４０％）を使用した。

試料の製作は約７００℃のアルミニウム溶湯に純粋なスズを加えることで行われた。鋳型として、２０℃の銅ブロックの上に６００℃に予熱したスチール製チューブを取り付けたものを使用した。鋳型のスチール製チューブにスズを加えたアルミニウム溶湯を注ぎ、２０℃の銅ブロックで冷却し、シリンダ形状の試料を製作した。製作した試料をそのシリンダ軸に沿って２分割し、その片方を使用して漏出実験を行った。分割した試料を空気中で４００℃まで加熱し、２時間放置した。このとき、Ａｌ−２０wt％Ｓｎの試料はステンレススチール製の板上に、Ａｌ−１０wt％Ｓｎの試料とＡｌ−４０wt％Ｓｎの試料はカーボンスチール製の板上にそれぞれ置かれていた。

その結果を図１１に示す。（Ａ）はＡｌ−１０wt％Ｓｎの試料、（Ｂ）はＡｌ−２０wt％Ｓｎの試料、（Ｃ）はＡｌ−４０wt％Ｓｎの試料である。いずれの試料についてもＳｎ成分の漏出を確認できた。ただし、Ｓｎ成分の漏出量はＡｌ−１０wt％Ｓｎ、Ａｌ−２０wt％Ｓｎ、Ａｌ−４０wt％Ｓｎの順で増加した。この結果、Ａｌ−１０wt％Ｓｎ、Ａｌ−２０wt％Ｓｎ、Ａｌ−４０wt％Ｓｎのいずれも熱応力緩和パッド１のパッド本体４として使用できること、３種類の試料の中でＡｌ−４０wt％Ｓｎの使用がＳｎ成分の漏出量の確保という点では最も適していることを確認できた。

Ａｌ−Ｓｎ合金とＡｌ製の枠部材との接合を確認するための実験を行った。実験では、Ａｌ−４０wt％Ｓｎ（組成比がＳｎの重量比で４０％）の試料を使用した。試料の製作は約７００℃のアルミニウム溶湯に純粋なスズを加えることで行われた。５５０℃に予熱したアルミニウム板の上に５５０℃に予熱したスチール製チューブを取り付け、このスチール製チューブ内にスズを加えたアルミニウム溶湯（７００℃）を注いでＡｌ−Ｓｎ合金のシリンダ形試料を製作した。冷却後、シリンダ形試料をそのシリンダ軸に沿って２分割し、その片方を使用してＡｌ−Ｓｎ合金とアルミニウム板との境界部分を顕微鏡で観察した。

その結果を図１２に示す。（Ａ）は５０倍の顕微鏡写真、（Ｂ）は１００倍の顕微鏡写真である。Ａｌ−Ｓｎ合金とＡｌ板とが完全に一体化している様子が観察された。なお、Ａｌ−Ｓｎ合金とＡｌ板との境界面が波打っているのは、アルミニウム板が溶融したことを示している。この実験の結果、予熱したＡｌ製のカップ状部材にＡｌ−Ｓｎ合金の溶湯を注ぐことで、枠部材５を有する熱応力緩和パッド１、または枠部材５，６を有する熱応力緩和パッド１を製造できることを確認できた。

本発明の熱応力緩和パッドの第１の実施形態を示す断面図である。同熱応力緩和パッドの平面図である。同熱応力緩和パッドを高温側部材と低温側部材との間に挟んだ状態を示す側面図である。熱応力緩和パッドの内部組織を示し、（Ａ）は枠部材（Ａｌ）とパッド本体（Ａｌ−４０wt％Ｓｎ）と境界部の顕微鏡写真、（Ｂ）はパッド本体（Ａｌ−４０wt％Ｓｎ）の顕微鏡写真である。本発明の熱電変換システムの実施形態の一例を示す側面図である。本発明のペルチェ冷却システムの実施形態の一例を示す側面図である。本発明の熱応力緩和パッドの第２の実施形態を示す断面図である。本発明の熱応力緩和パッドの第３の実施形態を示す断面図である。同熱応力緩和パッドの平面図である。図１の熱応力緩和パッド（パッド本体：Ａｌ−４０wt％Ｓｎ）の接触熱抵抗を示すグラフである。Ｓｎ成分の漏出を確認するための実験結果を示し、（Ａ）はＡｌ−１０wt％Ｓｎの試料についての図、（Ｂ）はＡｌ−２０wt％Ｓｎの試料についての図、（Ｃ）はＡｌ−４０wt％Ｓｎの試料についての図である。Ａｌ−Ｓｎ合金とＡｌとが良好に一体化されることを確認するための実験の結果を示し、（Ａ）はＡｌ−Ｓｎ合金とＡｌ板の境界部分の顕微鏡写真（５０倍）、（Ｂ）はＡｌ−Ｓｎ合金とＡｌ板の境界部分の顕微鏡写真（１００倍）である。従来の熱応力緩和パッドの側面図である。図１３の熱応力緩和パッドの一部拡大図である。

符号の説明

１熱応力緩和パッド
２高温側部材
３低温側部材
４パッド本体
５パッド本体の他方の面を枠部材
６パッド本体の側面を覆う枠部材
７熱電変換システム
８加熱手段
９冷却手段
１０熱電変換素子
１３放熱部材
１４冷却部材
１５ペルチェ素子
１６ペルチェ冷却システム

Claims

温度差のある高温側部材と低温側部材の間に挟まれて熱を伝達すると共に熱応力の緩和を行う熱応力緩和パッドにおいて、ＡｌとＳｎの共晶合金からなるパッド本体を備え、前記パッド本体の前記高温側部材に対向する面と前記低温側部材に対向する面のいずれか一方の面は相手側部材に対して非接合で直接接触しており、他方の面は枠部材により覆われて相手側部材に対して接合されていることを特徴とする熱応力緩和パッド。
温度差のある高温側部材と低温側部材の間に挟まれて熱を伝達すると共に熱応力の緩和を行う熱応力緩和パッドにおいて、ＡｌとＳｎの共晶合金からなるパッド本体を備え、前記パッド本体は前記高温側部材と前記低温側部材に対して非接合で接触していることを特徴とする熱応力緩和パッド。
前記パッド本体の側面を覆う枠部材を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の熱応力緩和パッド。
前記枠部材はＡｌで形成されていることを特徴とする請求項１又は３記載の熱応力緩和パッド。
加熱手段と冷却手段の間に熱電変換素子を配置する熱電変換システムにおいて、前記加熱手段と前記熱電変換素子の間と、前記冷却手段と前記熱電変換素子の間のうち、少なくともいずれか一方に請求項１から４のいずれか１つに記載の熱応力緩和パッドを介在させたことを特徴とする熱電変換システム。
放熱部材と冷却部材の間にペルチェ素子を配置するペルチェ冷却システムにおいて、前記放熱部材と前記ペルチェ素子の間と、前記冷却部材と前記ペルチェ素子の間のうち、少なくともいずれか一方に請求項１から４のいずれか１つに記載の熱応力緩和パッドを介在させたことを特徴とするペルチェ冷却システム。